JP6384871B2 - Mode multiplexer / demultiplexer - Google Patents

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Description

本発明は、伝搬モード数が5以上である光ファイバケーブルにおいて伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用する多重方法であるモード多重伝送に必要なモード合分波器に関する。   The present invention relates to a mode multiplexer / demultiplexer necessary for mode multiplexing transmission, which is a multiplexing method in which each propagation mode is used as a carrier in an optical fiber cable having five or more propagation modes.

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。   Currently, traffic in optical fiber networks is increasing, and transmission capacity can be increased by using various methods such as increasing transmission speed, increasing the number of wavelength division multiplexing using wavelength division multiplexing (WDM) technology, and multi-level modulation. I have been trying to expand. However, it is expected that it will be difficult to expand the transmission capacity using existing transmission lines and conventional transmission methods in the future, so the expansion of the wavelength range, new transmission fibers, and new transmission methods have been studied. Yes.

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積(Aeff)が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献1に示されるようにAeffの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからAeffの大幅な拡大が困難という課題がある。   As for a new transmission fiber, a fiber structure has been proposed in which the effective area (Aeff) can be increased in order to suppress waveform distortion due to fiber nonlinearity. Fiber nonlinear suppression leads to an increase in input power that can be input to the fiber. If the input power can be increased, advantages such as higher transmission speed and further multi-value can be obtained. However, as shown in Non-Patent Document 1, since the expansion of Aeff is based on a single mode operation, there is a trade-off relationship between bending loss and single mode operation, and it is difficult to significantly increase Aeff. There is.

新たな伝送方式に関しては、特許文献1に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード分波器として非特許文献2に示されるように受光する位置を変化させてモードの分波を行う方法が提案されているが、多くの高次モードが存在する状況では、モード間の漏話が大きくなり、受光器の設計も複雑になるため、伝搬モードをキャリアとして利用するモード多重伝送においての利用については好ましくない。   Regarding a new transmission method, a multiplexing method using a propagation mode of an optical fiber has been proposed in Patent Document 1, but a method for exciting a desired higher-order mode has not been proposed, and it is used at a single wavelength. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a large capacity. As a mode demultiplexer for using the propagation mode of an optical fiber, a method of demultiplexing a mode by changing a light receiving position as shown in Non-Patent Document 2 has been proposed. In such a situation, crosstalk between modes becomes large, and the design of the optical receiver becomes complicated. Therefore, it is not preferable for use in mode multiplex transmission using a propagation mode as a carrier.

特開平8−288911号公報JP-A-8-288911

松井 他, “Single−mode photonic crystal fiber with low bending loss and Aeff of > 200 μm2 for ultra high−speed WDM transmission”, OFC2010, PDPA2.Matsui et al., “Single-mode photonic fiber with low bending loss and Aeff of> 200 μm2 for ultra high-speed WDM transmission”, OFC2010, PD. C. P. Tsekrekos 他, “Mode−selective spatial filtering for increased robustness in a mode group diversity multiplexing link”, OPTICS LETTERS, Vol.32, No.9, 2007.C. P. Tsekrekos et al., “Mode-selective spatial filtering for in- cluded robustness in a mode group diversity multiplexing”, OPTIC LETTERS, Vol. 32, no. 9, 2007. R. Ryf 他, “Optical Coupling Components for Spatial Multiplexing in Multi−Mode Fibers”, ECOC2011, Th.12.B.1.R. Ryf et al., “Optical Coupling Components for Spatial Multiplexing in Multi-Mode Fibers”, ECOC2011, Th. 12 B. 1. N. Hanzawa 他, “Four−mode plc−based mode multi/demultiplexer with LP11 mode rotator on one chip for MDM transmission”, ECOC2014, We.1.1.1N. Hanzawa et al., “Four-mode plc-based mode multi / demultiplexer with LP11 mode rotator on one chip for MDM transmission”, ECOC2014, We. 1.1.1 N. Hanzawa et al., “Asymmetric parallel waveguide with mode conversion for mode and wavelength division multiplexing transmission,” OFC2012, paper Otu1l.4 (2012).N. Hanzawa et al. , “Asymmetric parallel waveguide with mode conversion for mode and wavelength division multiplexing transmission,” OFC2012, paper Otu1l. 4 (2012).

伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。また、これまで提案されているモード合分波器は、分波効率が悪いため、長距離伝送や高速な信号の伝送が困難であり、また空間系を利用するため構成が複雑になるなどの課題がある。空間系を用いた方法では、非特許文献3に記載されているようにモードごとに高い分波効率を実現することが可能であるが、挿入損失が8dB以上と大きくデバイスの小型化が困難であるなどの課題もある。   In mode multiplex transmission using an optical fiber with multiple propagation modes and each propagation mode of the optical fiber as a carrier, the existing device is assumed to operate in the basic mode. It is difficult to realize mode multiplexing transmission by using. In addition, the mode multiplexer / splitters proposed so far have poor demultiplexing efficiency, making long-distance transmission and high-speed signal transmission difficult, and using a spatial system makes the configuration complicated. There are challenges. In the method using the spatial system, it is possible to achieve high demultiplexing efficiency for each mode as described in Non-Patent Document 3, but the insertion loss is as large as 8 dB or more, and it is difficult to reduce the size of the device. There are also other issues.

近年、非特許文献4に示されるように非対称平行導波路を用いた4モード合分波器が提案されており、非対称平行導波路を用いることで送受信端では基本モードのみで信号を扱うことが可能であり、既存のデバイスをそのまま用いることが可能になる。しかしながら、更なる大容量伝送の実現のためには、モード多重数を増加させることが望ましいが、非特許文献4に記載の合分波器は4モードに限定されており、5モード以上のモード多重を実現するための合分波方法に関しては提案されていない。   In recent years, as shown in Non-Patent Document 4, a four-mode multiplexer / demultiplexer using an asymmetric parallel waveguide has been proposed. By using an asymmetric parallel waveguide, signals can be handled only at the fundamental mode at the transmitting and receiving ends. It is possible to use an existing device as it is. However, in order to realize further large-capacity transmission, it is desirable to increase the number of mode multiplexing. However, the multiplexer / demultiplexer described in Non-Patent Document 4 is limited to four modes, and has five or more modes. No multiplexing / demultiplexing method for realizing multiplexing has been proposed.

そこで、本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで5モード以上のモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a mode multiplexer / demultiplexer that can use an existing device and can perform mode multiplex transmission of five or more modes using an optical fiber.

本発明に係るモード合分波器は、平行導波路を用いた合分波器に長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を加えることにより、5及び6モード目のモードであるLP21bモード及びLP02モードを発生させることを特徴とする。   The mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention is a mode of the fifth and sixth modes by adding a taper portion whose waveguide width continuously changes in the longitudinal direction to the multiplexer / demultiplexer using the parallel waveguide. An LP21b mode and an LP02 mode are generated.

具体的には、本発明に係る1のモード合分波器は、
n(nは5以上の整数)以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向と垂直方向の一方に3つのピークを持ち、他方に1つのピークを持つフィールド分布の中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるLP21bモードまたはLP02モードに相当するフィールド分布のモードと前記中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。
Specifically, one mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention is:
a main waveguide having a tapered portion capable of propagating a mode of n (n is an integer of 5 or more) or more and having a waveguide width continuously changing in the longitudinal direction;
A sub-waveguide having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and transfers optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
The sub-waveguide has an effective refractive index of a propagating mode for the desired wavelength range of light, and has three peaks in one of the horizontal direction and the vertical direction with respect to the substrate, which propagates through the main waveguide. , Consistent with the effective refractive index of the intermediate mode of the field distribution with one peak on the other,
The tapered portion is characterized by adiabatic conversion between a field distribution mode corresponding to the LP21b mode or LP02 mode, which is a propagation mode in an optical fiber, and the intermediate mode.

本モード合分波器は、合波方向において、副導波路を伝搬する基本モードの光を結合部から主導波路へ移行させてE31モード又はE13モードの中間モードを主導波路に発生させ、テーパー部で中間モードからLP21bモード又はLP02モードに変換することとした。平行導波路を用いた合分波器において分波は合波の逆の動作がなされるので、本モード合分波器は、主導波路を伝搬するLP21bモード又はLP02モードの光を副導波路へ基本モードとして移行させることができる。なお、中間モードとLP21bモード又はLP02モードとの変換は、テーパー部の構造を調整することで実現できる。   This mode multiplexer / demultiplexer shifts the fundamental mode light propagating in the sub-waveguide from the coupling portion to the main waveguide in the multiplexing direction to generate an intermediate mode of the E31 mode or E13 mode in the main waveguide, and the tapered portion. Thus, the intermediate mode is converted to the LP21b mode or LP02 mode. In the multiplexer / demultiplexer using the parallel waveguide, the demultiplexing operation is the reverse of the multiplexing, so this mode multiplexer / demultiplexer transmits the LP21b mode or LP02 mode light propagating through the main waveguide to the sub-waveguide. Transition to basic mode is possible. The conversion between the intermediate mode and the LP21b mode or LP02 mode can be realized by adjusting the structure of the tapered portion.

従って、本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで5モードのモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することができる。   Therefore, the present invention can provide a mode multiplexer / demultiplexer that can use an existing device and enables five-mode mode multiplexing transmission using an optical fiber.

また、本発明に係る他のモード合分波器は、
n(nは6以上の整数)以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化する第1テーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向に3つのピーク且つ垂直方向に1つのピークを持つフィールド分布の第1中間モードの実効屈折率、又は前記基板に対して垂直方向に3つのピーク且つ水平方向に1つのピークを持つフィールド分布の第2中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記第1テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるLP21bモードとLP02モードの一方に相当するフィールド分布のモードと前記第1中間モードとを断熱変換し、他方に相当するフィールド分布のモードと前記第2中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。
Further, another mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention is
a main waveguide having a first tapered portion capable of propagating a mode of n (n is an integer of 6 or more) or more and having a waveguide width continuously changing in the longitudinal direction;
A sub-waveguide having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and transfers optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
The sub-waveguide has an effective refractive index of a propagating mode for the desired wavelength range of light, and three peaks in the horizontal direction and one peak in the vertical direction propagating through the main waveguide. Or the effective refractive index of the second intermediate mode of the field distribution having three peaks in the vertical direction and one peak in the horizontal direction with respect to the substrate. And
The first taper section performs adiabatic conversion between a field distribution mode corresponding to one of LP21b mode and LP02 mode, which is a propagation mode in an optical fiber, and the first intermediate mode, and a field distribution mode corresponding to the other mode. The second intermediate mode is subjected to adiabatic conversion.

前記1のモード合分波器と同様であるが、本モード合分波器は、主導波路に2種類の中間モード(例えば、E31モード及びE13モード)を発生させる。そして、第1テーパ部でこれらの中間モードをそれぞれLP21bモード及びLP02モードに変換する。従って、本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで6モードのモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することができる。   Although this mode multiplexer / demultiplexer is the same as the first mode multiplexer / demultiplexer, this mode multiplexer / demultiplexer generates two kinds of intermediate modes (for example, E31 mode and E13 mode) in the main waveguide. Then, these intermediate modes are converted into the LP21b mode and the LP02 mode, respectively, at the first taper portion. Therefore, the present invention can provide a mode multiplexer / demultiplexer that can use an existing device and enables 6-mode mode multiplexing transmission using an optical fiber.

本発明に係る他のモード合分波器の前記主導波路は、2つの前記副導波路の前記結合部の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、前記第1中間モードと前記第2中間モードとを相互に断熱変換する第2テーパー部をさらに持つことを特徴とする。   In the main waveguide of another mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention, a waveguide width continuously changes in a longitudinal direction between the coupling portions of two sub waveguides, and the first intermediate mode and It further has a 2nd taper part which carries out adiabatic conversion mutually with the 2nd middle mode.

導波路のテーパー部の構造を調整することで中間モード間のモード変換が可能となる。このため、前段の結合部でE31モードを発生させ、第2テーパー部でE13モードに変換し、後段の結合部でさらにE31モードを発生させ、最後に第1テーパー部でE13モードをLP21bモードへ、E31モードをLP02モードへ変換すれば6モードのモード多重伝送が可能となる。   Mode conversion between intermediate modes is possible by adjusting the structure of the tapered portion of the waveguide. For this reason, the E31 mode is generated at the coupling portion at the front stage, converted to the E13 mode at the second taper portion, the E31 mode is further generated at the coupling portion at the rear stage, and finally the E13 mode is changed to the LP21b mode at the first taper portion. If the E31 mode is converted to the LP02 mode, 6-mode mode multiplex transmission is possible.

本発明に係るモード合分波器は、前記主導波路及び前記副導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つm本(mは3以上の整数)の脇導波路をさらに備え、
前記脇導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が前記主導波路の低次側の3つの高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする。
The mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention includes m coupling units that are non-contact with the main waveguide and the sub-waveguide, generate mode conversion with the main waveguide, and transfer optical power. m is an integer of 3 or more) side waveguides,
In the side waveguide, the effective refractive index of the propagating mode exclusively coincides with the effective refractive indexes of the three higher-order modes on the lower-order side of the main waveguide with respect to a desired light wavelength range. It is characterized by.

本モード合分波器は、副導波路の結合部で主導波路に中間モードを発生させる前に、必要な本数の脇導波路で低次側の3つの高次モード(LP11a、LP11b、LP21a)を発生させておくことができる。   This mode multiplexer / demultiplexer has three higher-order modes (LP11a, LP11b, LP21a) on the low-order side in the required number of side waveguides before the intermediate mode is generated in the main waveguide at the coupling portion of the sub-waveguide. Can be generated.

本発明に係るモード合分波器の少なくとも1つの前記結合部は、前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路に非接触である少なくとも1本の中間導波路とすることができる。   The at least one coupling portion of the mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention may be at least one intermediate waveguide that is not in contact with the main waveguide, the sub-waveguide, and the side waveguide.

本発明に係るモード合分波器の前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路は、導波路の高さが同じであり、前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路の少なくとも1つがLP11aモードをLP11bモードに変換するモード回転子を含むことができる。   The main waveguide, the sub-waveguide, and the side waveguide of the mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention have the same waveguide height, and at least the main waveguide, the sub-waveguide, and the side waveguide One can include a mode rotator that converts the LP11a mode to the LP11b mode.

本発明に係るモード合分波器は、前記中間モードがE31モードであり、
合波方向に、
LP01モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりLP11aモード、LP11bモード、及びLP21aモードを合波し、さらに、前記副導波路の結合部よりE31モードを合波し、前記テーパー部でE31モードをLP02モードに変換することができる。
In the mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention, the intermediate mode is an E31 mode,
In the direction of multiplexing,
LP11a mode, LP11b mode, and LP21a mode are combined from the coupling part of the side waveguide to the main waveguide through which the LP01 mode propagates, and further, E31 mode is multiplexed from the coupling part of the sub-waveguide, The taper portion can convert the E31 mode to the LP02 mode.

本発明に係るモード合分波器は、前記第1中間モードがE31モードで、前記第2中間モードがE13モードであり、
合波方向に、
LP01モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりLP11aモード、LP11bモード、及びLP21aモードを合波し、さらに、1の前記副導波路の結合部よりE31モードを合波し、前記第2テーパー部でE31モードをE13モードに変換し、さらに、他の前記副導波路の結合部よりE31モードを合波し、前記第1テーパー部でE31モードをLP02モードに、E13モードをLP21bモードに変換することができる。
In the mode multiplexer / demultiplexer according to the present invention, the first intermediate mode is an E31 mode, and the second intermediate mode is an E13 mode,
In the direction of multiplexing,
The LP11a mode, the LP11b mode, and the LP21a mode are combined from the coupling portion of the side waveguide to the main waveguide through which the LP01 mode propagates, and the E31 mode is multiplexed from the coupling portion of one of the sub waveguides. The E31 mode is converted to the E13 mode by the second taper part, and the E31 mode is multiplexed from the coupling part of the other sub-waveguide, and the E31 mode is changed to the LP02 mode by the first taper part. Can be converted to LP21b mode.

本発明は、既存デバイスを利用でき、光ファイバで5モード以上のモード多重伝送を可能とするモード合分波器を提供することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a mode multiplexer / demultiplexer that can use an existing device and enables mode multiplexing transmission of five or more modes using optical fibers.

LP01モードとLP11モードを合分波するモード合分波器を説明する図である。It is a figure explaining the mode multiplexer / demultiplexer which multiplexes / demultiplexes LP01 mode and LP11 mode. 各モードの導波路内の電界分布を説明する図である。It is a figure explaining the electric field distribution in the waveguide of each mode. 導波路の幅を変化させた時の導波路における5モード目と6モード目の実効屈折率と電界分布を説明する図である。It is a figure explaining the effective refractive index and electric field distribution of the 5th mode and 6th mode in a waveguide when changing the width | variety of a waveguide. テーパー部の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of a taper part. LP21bとLP02モードを同時に得るためのテーパー部の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the taper part for obtaining LP21b and LP02 mode simultaneously. 本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 結合部の設計を説明する図である。It is a figure explaining the design of a coupling part. 本発明に係るモード合分波器の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the mode multiplexer / demultiplexer which concerns on this invention. 結合部の設計を説明する図である。It is a figure explaining the design of a coupling part.

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiments. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.

本実施形態は、光ファイバ中の伝搬モードである基本モード(LP01)、第1高次モード(LP11a、LP11b)、第2高次モード(LP21a、LP21b)、第3高次モード(LP02)を用いた6モード多重伝送を想定している。   In this embodiment, a fundamental mode (LP01), a first higher-order mode (LP11a, LP11b), a second higher-order mode (LP21a, LP21b), and a third higher-order mode (LP02), which are propagation modes in an optical fiber, are used. The 6-mode multiplex transmission used is assumed.

図1は、LP01モードとLP11モードを合分波するモード合分波器を説明する図である。本例では、比屈折率差Δが等しく,導波路の高さが等しい複数の導波路により構成される場合であって、平行導波路が近接する結合部により、一方の導波路中を伝搬する特定のモードを、他方の導波路を伝搬する特定のモードに変換するよう設計されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating a mode multiplexer / demultiplexer that multiplexes / demultiplexes the LP01 mode and the LP11 mode. In this example, the relative refractive index difference Δ is equal and the height of the waveguide is a plurality of waveguides, and the parallel waveguide propagates in one of the waveguides by the adjacent coupling portion. Designed to convert a particular mode into a particular mode propagating in the other waveguide.

非特許文献5によれば、2つの導波路の高さ及び幅を適切に設計し、2つの導波路を伝搬するモードの実効屈折率を一致させることでモードの結合を生じさせることができる。また、相互作用長を適切に設計することで、一方の導波路を伝搬する光を、他方の導波路に移すことができる。   According to Non-Patent Document 5, mode coupling can be generated by appropriately designing the height and width of two waveguides and matching the effective refractive indexes of modes propagating through the two waveguides. In addition, by appropriately designing the interaction length, light propagating in one waveguide can be transferred to the other waveguide.

また、2つの導波路の高さが同じである場合、LP01モードから変換できるモードは、LP11aモードであることが述べられており、非特許文献4に記載のLP11モード回転子を用いることで、4モード(LP01,LP11a,LP11b,LP21a)の合分波が実現できている。   Further, when the two waveguides have the same height, it is stated that the mode that can be converted from the LP01 mode is the LP11a mode, and by using the LP11 mode rotator described in Non-Patent Document 4, 4-mode (LP01, LP11a, LP11b, LP21a) multiplexing / demultiplexing can be realized.

5以上のモードを合分波するためには、LP01モードから5モード目であるLP21bまたは6モード目であるLP02モードに変換する必要がある。図2に、各モードの導波路内の電界分布を示す。ここで、導波路の幅と高さは同じとしている。   In order to multiplex / demultiplex five or more modes, it is necessary to convert the LP01 mode to the LP21b which is the fifth mode or the LP02 mode which is the sixth mode. FIG. 2 shows the electric field distribution in the waveguide of each mode. Here, the width and height of the waveguide are the same.

導波路の幅と高さが同じ場合、6モード目の電界分布は光ファイバ中のLP02モードと同様な電界分布が得られていることがわかる。一方で、同図に記載の通り、幅と高さが異なる場合、光ファイバのLP02モードとは異なる電界分布となっていることがわかる。つまり、6モード目を合波し、光ファイバのLP02モードとして伝搬させるためには、導波路の高さと幅を一致させなければならない。   When the width and height of the waveguide are the same, it can be seen that the electric field distribution in the sixth mode is the same as that in the LP02 mode in the optical fiber. On the other hand, as shown in the figure, it can be seen that when the width and height are different, the electric field distribution is different from the LP02 mode of the optical fiber. That is, in order to multiplex the sixth mode and propagate it as the LP02 mode of the optical fiber, the height and width of the waveguide must be matched.

しかしながら、導波路の高さと幅が一致している条件では、LP21bモードとLP02モードの実効屈折率はほぼ一致しており、これまで検討されてきた手法では対応できない。そこで、テーパー構造を用いて6モード合分波器を実現する。   However, under the conditions where the height and width of the waveguide are the same, the effective refractive indexes of the LP21b mode and the LP02 mode are almost the same, which cannot be dealt with by the methods studied so far. Therefore, a 6-mode multiplexer / demultiplexer is realized using a taper structure.

(実施形態1)
図3は、導波路の幅を変化させた時の導波路(つまりテーパー部)における5モード目と6モード目の実効屈折率と電界分布を説明する図である。なお、導波路の高さは12μm、比屈折率差は0.7%としている。導波路が正方形でない場合は、2つのモードの実効屈折率は異なっているが、光ファイバを導波するLP02モードとは電界分布が大きく異なっており、好ましくない。一方で、正方形の場合はLP02モードと同様な電界分布が得られているが、2つのモードの実効屈折率は近接しており、それぞれのモードに他導波路から結合させることは困難であることがわかる。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a diagram for explaining the effective refractive index and electric field distribution of the fifth mode and the sixth mode in the waveguide (that is, the tapered portion) when the width of the waveguide is changed. The height of the waveguide is 12 μm and the relative refractive index difference is 0.7%. When the waveguide is not square, the effective refractive index of the two modes is different, but the electric field distribution is greatly different from that of the LP02 mode guiding the optical fiber, which is not preferable. On the other hand, in the case of a square, an electric field distribution similar to that of the LP02 mode is obtained, but the effective refractive indexes of the two modes are close to each other, and it is difficult to couple each mode from another waveguide. I understand.

図4は、テーパー部の構造を説明する図である。例えば、導波路幅をW、導波路高さをHとした時、入射側の導波路構造がW<Hであって、出射側の導波路構造がW>Hとなるよう長手方向に連続的にWが変化しているテーパー構造を想定する。このようなテーパー構造を伝搬する光は、テーパー構造による断熱変換の原理により、図3における実効屈折率曲線にそってモードが変化していく。つまり、図に記載の電界分布を有するモード(E31)を励振すると、W=Hの構造においてLP21bモードを得ることができ、W>Hの構造まで変化させると、導波路におけるE13モードに変換される。   FIG. 4 is a diagram illustrating the structure of the tapered portion. For example, when the waveguide width is W and the waveguide height is H, the waveguide structure on the incident side is W <H and the waveguide structure on the output side is continuous in the longitudinal direction so that W> H. Assume a tapered structure in which W changes. The mode of light propagating through such a tapered structure changes along the effective refractive index curve in FIG. 3 based on the principle of adiabatic conversion by the tapered structure. That is, when the mode (E31) having the electric field distribution shown in the figure is excited, the LP21b mode can be obtained in the structure of W = H, and when the structure is changed to the structure of W> H, it is converted into the E13 mode in the waveguide. The

なお、テーパー部分において、断熱変換を行うためにはテーパー長は十分な長さにする必要があるが、図4の通り、複数のテーパー構造を組み合わせることで、テーパー長を短くすることができる。   In the tapered portion, it is necessary to make the taper length sufficiently long in order to perform adiabatic conversion, but as shown in FIG. 4, the taper length can be shortened by combining a plurality of taper structures.

図5は、LP21bとLP02モードを同時に得るためのテーパー部の構造を説明する図である。図3に示す通り、W≠Hの構造で2つのモードを励振し、テーパー構造によりW=Hとすることで、LP21bとLP02モードを得ることができる。   FIG. 5 is a diagram for explaining the structure of the tapered portion for simultaneously obtaining the LP21b and LP02 modes. As shown in FIG. 3, LP21b and LP02 modes can be obtained by exciting two modes with a structure of W ≠ H and setting W = H with a tapered structure.

なお、図4に記載のような、W<Hの構造からWを増加させるアップテーパー構造と、図5に記載のW>Hの構造からWを減少させるダウンテーパー構造のどちらも本実施形態に利用することができる。   Both the up-taper structure that increases W from the structure of W <H as shown in FIG. 4 and the down-taper structure that decreases W from the structure of W> H shown in FIG. Can be used.

以下に具体的なモード合分波器の構成を説明する。平行導波路を用いた合分波器において分波は合波の逆の動作がなされるので、以下では合波方向での説明とする。   A specific configuration of the mode multiplexer / demultiplexer will be described below. In the multiplexer / demultiplexer using the parallel waveguide, the demultiplexing operation is the reverse of the multiplexing operation.

(実施形態2)
図6及び図7は、実施形態1で説明したテーパー部を備えるモード合分波器(301、302)を説明する図である。モード合分波器(301、302)は、
n(nは6以上の整数)以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化する第1テーパー部41を持つ主導波路10と、
主導波路10に非接触であり、主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部(31、32)を持つ副導波路(21、22)と、
を基板1上に備えるモード合分波器であって、
副導波路(21、22)は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、主導波路10を伝搬する、基板1に対して水平方向に3つのピーク且つ垂直方向に1つのピークを持つフィールド分布の第1中間モードの実効屈折率、又は基板1に対して垂直方向に3つのピーク且つ水平方向に1つのピークを持つフィールド分布の第2中間モードの実効屈折率と一致しており、
第1テーパー部41は、光ファイバ中の伝搬モードであるLP21bモードとLP02モードの一方に相当するフィールド分布のモードと前記第1中間モードとを断熱変換し、他方に相当するフィールド分布のモードと前記第2中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。
図6及び図7において、主導波路10を「第一導波路」、副導波路21を「第二導波路」、副導波路22を「第三導波路」と記載している。また、図6の第1テーパー部41は、光の合波方向に導波路幅が広がっており「アップテーパー部」と記載し、図7の第1テーパー部42は、光の合波方向に導波路幅が狭まっており「ダウンテーパー部」と記載している。
(Embodiment 2)
6 and 7 are diagrams illustrating the mode multiplexer / demultiplexer (301, 302) including the tapered portion described in the first embodiment. The mode multiplexer / demultiplexer (301, 302)
a main waveguide 10 capable of propagating a mode of n (n is an integer of 6 or more) and having a first tapered portion 41 in which the waveguide width continuously changes in the longitudinal direction;
A sub-waveguide (21, 22) having a coupling portion (31, 32) that is non-contact with the main waveguide 10, generates mode conversion with the main waveguide, and shifts optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer provided on the substrate 1,
The sub-waveguides (21, 22) have an effective refractive index of a propagating mode with respect to a desired wavelength range of light. The effective refractive index of the first intermediate mode of the field distribution having one peak in the field distribution, or the effective refractive index of the second intermediate mode of the field distribution having three peaks in the vertical direction and one peak in the horizontal direction with respect to the substrate 1 And
The first taper portion 41 adiabatically converts a field distribution mode corresponding to one of the LP21b mode and LP02 mode, which is a propagation mode in an optical fiber, and the first intermediate mode, and a field distribution mode corresponding to the other mode. The second intermediate mode is subjected to adiabatic conversion.
6 and 7, the main waveguide 10 is described as “first waveguide”, the sub-waveguide 21 is described as “second waveguide”, and the sub-waveguide 22 is described as “third waveguide”. Further, the first taper portion 41 in FIG. 6 is described as an “up taper portion” in which the waveguide width is widened in the light combining direction, and the first taper portion 42 in FIG. 7 is in the light combining direction. The waveguide width is narrowed and is described as “down taper portion”.

例えば、図6に記載の通り、第一導波路(主導波路10)と第二導波路(副導波路21)の結合部31において、第二導波路を伝搬してきた基本モードを縦方向にピークを3つ有する第2中間モード(E13モード)に変換し、第一導波路(主導波路10)と第三導波路(副導波路22)の結合部32において、第三導波路を伝搬してきた基本モードを横方向にピークを3つ有する第1中間モード(E31モード)に変換し、最後に主導波路10のテーパー部41でLP21bモードとLP02モードを得ることができる。   For example, as shown in FIG. 6, in the coupling portion 31 of the first waveguide (main waveguide 10) and the second waveguide (sub waveguide 21), the fundamental mode propagating through the second waveguide is peaked in the vertical direction. Has been propagated through the third waveguide at the coupling portion 32 between the first waveguide (main waveguide 10) and the third waveguide (sub-waveguide 22). The fundamental mode is converted into a first intermediate mode (E31 mode) having three peaks in the lateral direction, and finally, the LP21b mode and the LP02 mode can be obtained by the tapered portion 41 of the main waveguide 10.

また、図7に記載の通り、第一導波路(主導波路10)と第二導波路(副導波路21)の結合部31において、第二導波路を伝搬してきた基本モードを横方向にピークを3つ有する第1中間モード(E31モード)に変換し、第一導波路(主導波路10)と第三導波路(副導波路22)の結合部32において、第三導波路を伝搬してきた基本モードを縦方向にピークを3つ有する第2中間モード(E13モード)に変換し、最後に主導波路10のテーパー部42でLP21bモードとLP02モードを得ることができる。   In addition, as shown in FIG. 7, in the coupling portion 31 of the first waveguide (main waveguide 10) and the second waveguide (sub-waveguide 21), the fundamental mode propagating through the second waveguide is peaked in the lateral direction. Has been propagated through the third waveguide at the coupling portion 32 of the first waveguide (main waveguide 10) and the third waveguide (sub-waveguide 22). The fundamental mode is converted into a second intermediate mode (E13 mode) having three peaks in the vertical direction, and finally, the LP21b mode and the LP02 mode can be obtained by the tapered portion 42 of the main waveguide 10.

なお、図6及び図7では、2つの副導波路でLP21bモードとLP02モードを得ているが、LP21bモード又はLP02モードを得るためには1つの副導波路で光を合波すればよい。すなわち、モード合分波器は、
n(nは5以上の整数)以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向と垂直方向の一方に3つのピークを持ち、他方に1つのピークを持つフィールド分布の中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるLP21bモードまたはLP02モードに相当するフィールド分布のモードと前記中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とする。
In FIGS. 6 and 7, the LP21b mode and the LP02 mode are obtained with two sub-waveguides. However, in order to obtain the LP21b mode or the LP02 mode, light may be multiplexed with one sub-waveguide. That is, the mode multiplexer / demultiplexer
a main waveguide having a tapered portion capable of propagating a mode of n (n is an integer of 5 or more) or more and having a waveguide width continuously changing in the longitudinal direction;
A sub-waveguide having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and transfers optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
The sub-waveguide has an effective refractive index of a propagating mode for the desired wavelength range of light, and has three peaks in one of the horizontal direction and the vertical direction with respect to the substrate, which propagates through the main waveguide. , Consistent with the effective refractive index of the intermediate mode of the field distribution with one peak on the other,
The tapered portion is characterized by adiabatic conversion between a field distribution mode corresponding to the LP21b mode or LP02 mode, which is a propagation mode in an optical fiber, and the intermediate mode.

(実施形態2)
しかしながら、非特許文献4に記載の通り、2つのモード間で実効屈折を一致させたとしても、電界分布の重なり積分が零であれば結合しない。つまり、導波路の高さが一定であれば、LP01モードやLP11aモードからは、E31モードへは結合できるが、E13モードへは、重なり積分がゼロであるため結合することができない。
(Embodiment 2)
However, as described in Non-Patent Document 4, even if the effective refraction is matched between the two modes, they are not coupled if the overlap integral of the electric field distribution is zero. That is, if the waveguide height is constant, the LP01 mode and the LP11a mode can be coupled to the E31 mode, but cannot be coupled to the E13 mode because the overlap integral is zero.

そこで、本実施形態は、図8及び図9のような構成とする。つまり、図8のモード合分波器303は、図7のモード合分波器302の主導波路10が、2つの副導波路(21、22)の結合部(31、32)の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、第1中間モードと第2中間モードとを相互に断熱変換する第2テーパー部43をさらに持つことを特徴とする。また、図9のモード合分波器304は、図6のモード合分波器301の主導波路10が、2つの副導波路(21、22)の結合部(31、32)の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、第1中間モードと第2中間モードとを相互に断熱変換する第2テーパー部44をさらに持つことを特徴とする。
図8の第2テーパー部43は、光の合波方向に導波路幅が広がっており「アップテーパー部」と記載し、図9の第2テーパー部44は、光の合波方向に導波路幅が狭まっており「ダウンテーパー部」と記載している。
Therefore, the present embodiment is configured as shown in FIGS. That is, the mode multiplexer / demultiplexer 303 in FIG. 8 includes the main waveguide 10 of the mode multiplexer / demultiplexer 302 in FIG. 7 between the coupling portions (31, 32) of the two sub waveguides (21, 22). The waveguide width is continuously changed in the longitudinal direction, and further includes a second taper portion 43 that performs adiabatic conversion between the first intermediate mode and the second intermediate mode. Further, the mode multiplexer / demultiplexer 304 in FIG. 9 includes the main waveguide 10 of the mode multiplexer / demultiplexer 301 in FIG. 6 between the coupling portions (31, 32) of the two sub waveguides (21, 22). The waveguide width is continuously changed in the longitudinal direction, and further includes a second taper portion 44 that performs adiabatic conversion between the first intermediate mode and the second intermediate mode.
The second taper portion 43 in FIG. 8 is described as an “up taper portion” in which the waveguide width is widened in the light combining direction, and the second taper portion 44 in FIG. 9 is a waveguide in the light combining direction. The width is narrowed and is described as “down taper part”.

図8は、導波路高さが一定である場合のLP21b及びLP02モードの合波例である。第一導波路(主導波路10)と第二導波路(副導波路21)との結合部31において第二導波路の基本モードから第1中間モード(E31モード)へ変換したのち、アップテーパー部43によりE31モードを第2中間モード(E13モード)へ変換させる。   FIG. 8 shows an example of combining the LP21b and LP02 modes when the waveguide height is constant. After converting from the fundamental mode of the second waveguide to the first intermediate mode (E31 mode) at the coupling portion 31 of the first waveguide (main waveguide 10) and the second waveguide (sub-waveguide 21), the up taper portion 43 converts the E31 mode into the second intermediate mode (E13 mode).

第一導波路(主導波路10)と第三の導波路(副導波路22)との結合部32においても、第三導波路の基本モードを第1中間モード(E31モード)へ変換し、最後のダウンテーパー部42においてE13モードとE31モードをそれぞれLP21bモードとLP02モードに変換する。   Also in the coupling portion 32 between the first waveguide (main waveguide 10) and the third waveguide (sub-waveguide 22), the fundamental mode of the third waveguide is converted to the first intermediate mode (E31 mode), and finally In the down taper portion 42, the E13 mode and the E31 mode are converted into the LP21b mode and the LP02 mode, respectively.

図9のモード合分波器304は、図8のモード合分波器303のテーパー構造を逆にしたものである。つまり、ダウンテーパー構造の第1テーパー部42をアップテーパー構造の第1テーパー部41とし、アップテーパー構造の第2テーパー部43をダウンテーパー構造の第2テーパー部44としている。
図9のモード合分波器304も図8のモード合分波器303の説明と同様にE31モードを第2テーパー部44でE13モードに変換し、その後に合波したE31モードとともに第1テーパー部41でそれぞれをLP21bモードとLP02モードに変換する。
The mode multiplexer / demultiplexer 304 in FIG. 9 is obtained by reversing the taper structure of the mode multiplexer / demultiplexer 303 in FIG. That is, the first taper portion 42 having the down taper structure is the first taper portion 41 having the up taper structure, and the second taper portion 43 having the up taper structure is the second taper portion 44 having the down taper structure.
Similarly to the description of the mode multiplexer / demultiplexer 303 in FIG. 8, the mode multiplexer / demultiplexer 304 in FIG. 9 converts the E31 mode into the E13 mode by the second taper portion 44, and then the first taper together with the combined E31 mode. The unit 41 converts each into LP21b mode and LP02 mode.

(実施形態3)
図10は、本実施形態のモード合分波器305を説明する図である。モード合分波器305は、全ての導波路の高さが一定の場合の6モード合分波器である。モード合分波器305は、図8のモード合分波器303に低次側の高次モード(LP11a、LP11b、LP21a)を発生させる脇導波路が追加されたものである。すなわち、モード合分波器305は、主導波路10及び副導波路(21、22)に非接触であり、主導波路10との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つm本(mは3以上の整数)の脇導波路(51、52、53)をさらに備え、
脇導波路(51、52、53)は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が主導波路10の低次側の3つの高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする。
(Embodiment 3)
FIG. 10 is a diagram for explaining the mode multiplexer / demultiplexer 305 of the present embodiment. The mode multiplexer / demultiplexer 305 is a 6-mode multiplexer / demultiplexer when the heights of all the waveguides are constant. The mode multiplexer / demultiplexer 305 is obtained by adding a side waveguide that generates a lower-order higher-order mode (LP11a, LP11b, LP21a) to the mode multiplexer / demultiplexer 303 in FIG. That is, the mode multiplexer / demultiplexer 305 is non-contact with the main waveguide 10 and the sub-waveguides (21, 22), and has a coupling unit that generates mode conversion with the main waveguide 10 and transfers optical power. m side waveguides (51, 52, 53) are further provided (m is an integer of 3 or more),
In the side waveguides (51, 52, 53), the effective refractive index of the propagating mode is exclusive of the effective refractive indexes of the three higher-order modes on the lower-order side of the main waveguide 10 with respect to the desired wavelength range of light. It is characterized by matching.

モード合分波器305は、少なくとも1つの前記結合部が、主導波路10、副導波路(21、22)及び脇導波路(51、52、53)に非接触である少なくとも1本の中間導波路61である。   The mode multiplexer / demultiplexer 305 includes at least one intermediate conductor in which at least one of the coupling portions is not in contact with the main waveguide 10, the sub waveguide (21, 22), and the side waveguide (51, 52, 53). Waveguide 61.

主導波路10、副導波路(21、22)及び脇導波路(51、52、53)は、導波路の高さが同じであり、主導波路10、副導波路(21、22)及び脇導波路(51、52、53)の少なくとも1つがLP11aモードをLP11bモードに変換するモード回転子を含む。   The main waveguide 10, the sub waveguides (21, 22), and the side waveguides (51, 52, 53) have the same waveguide height, and the main waveguide 10, the sub waveguides (21, 22), and the side waveguides. At least one of the waveguides (51, 52, 53) includes a mode rotator that converts the LP11a mode to the LP11b mode.

非特許文献4に記載の通り、導波路の高さ一定の条件でのLP01,LP11a、LP11b、LP21aモードの合分波は、LP11aモードからLP11bモードへ変換可能なモード回転子を用いることで実現できる。モード合分波器305は、主導波路10及び中間導波路61にそれぞれモード回転子72及びモード回転子71を有しており、脇導波路51から中間導波路61にモード変換され結合されたLP11aモードをモード回転子71でLP11bモードへ変換し、脇導波路52から主導波路10にモード変換され結合されたLP11aモードをモード回転子72でLP11bモードへ変換している。この時点で主導波路10にはLP01モード、LP11bが伝搬しており、さらに脇導波路53からモード変換されたLP11aモード及び中間導波路61からモード変換されたLP21aモードが結合される。すなわち、モード合分波器305は、結合部(33、34、35)でLP01,LP11a、LP11b、及びLP21aのモードを合分波することができる。   As described in Non-Patent Document 4, the multiplexing / demultiplexing of the LP01, LP11a, LP11b, and LP21a modes under the condition that the waveguide height is constant is realized by using a mode rotator capable of converting from the LP11a mode to the LP11b mode. it can. The mode multiplexer / demultiplexer 305 has a mode rotator 72 and a mode rotator 71 in the main waveguide 10 and the intermediate waveguide 61, respectively, and LP11a that is mode-converted and coupled from the side waveguide 51 to the intermediate waveguide 61. The mode is converted to the LP11b mode by the mode rotator 71, and the LP11a mode that is mode-converted from the side waveguide 52 to the main waveguide 10 and converted is converted to the LP11b mode by the mode rotator 72. At this time, the LP01 mode and LP11b are propagated through the main waveguide 10, and the LP11a mode converted from the side waveguide 53 and the LP21a mode converted from the intermediate waveguide 61 are coupled. That is, the mode multiplexer / demultiplexer 305 can multiplex / demultiplex the modes of LP01, LP11a, LP11b, and LP21a at the coupling units (33, 34, 35).

図8のモード合分波器303で説明したように、モード合分波器305は、結合部31において副導波路21の基本モードをE31モードに変換し、アップテーパー構造のテーパー部43にてこれをE13モードに変換し、ダウンテーパー構造のテーパー部42でさらに変換してLP21bモードを得ている。そして、モード合分波器305は、結合部32において副導波路22の基本モードをE31モードに変換し、これをダウンテーパー構造のテーパー部42でさらに変換してLP02モードを得ている。   As described with reference to the mode multiplexer / demultiplexer 303 in FIG. 8, the mode multiplexer / demultiplexer 305 converts the fundamental mode of the sub-waveguide 21 into the E31 mode in the coupling unit 31, and the tapered unit 43 of the up taper structure. This is converted to the E13 mode, and further converted by the tapered portion 42 of the down taper structure to obtain the LP21b mode. The mode multiplexer / demultiplexer 305 converts the fundamental mode of the sub-waveguide 22 into the E31 mode in the coupling unit 32, and further converts this in the tapered unit 42 having the down-taper structure to obtain the LP02 mode.

このように、モード合分波器305は、LP01,LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、及びLP02の6モードの合分波が可能である。   As described above, the mode multiplexer / demultiplexer 305 is capable of multiplexing / demultiplexing six modes of LP01, LP11a, LP11b, LP21a, LP21b, and LP02.

なお、5モード合分波器を実現する為には、5モード目をLP21bまたはLP02モードとすればよく、図10の構造から副導波路どちらか一方(21又は22)を除去することで簡単に実現することができる。なお、導波路の高さが異なるように製造すればモード回転子(71、72)は必須ではない。   In order to realize a five-mode multiplexer / demultiplexer, the fifth mode may be the LP21b or LP02 mode, and it is easy to remove one of the sub-waveguides (21 or 22) from the structure of FIG. Can be realized. Note that the mode rotors (71, 72) are not essential if the waveguides are manufactured to have different heights.

図11は、図10のモード合分波器305の各カプラー(coupler1、coupler2、coupler3、coupler4)の設計例である。図11(A)はcoupler1、図11(B)はcoupler2、図11(C)はcoupler3、図11(D)はcoupler4を説明している。導波路の幅、高さ、導波路間隔g、結合長Lを適切に設計することで、98%以上の結合効率を実現できている。   FIG. 11 is a design example of each coupler (coupler 1, coupler 2, coupler 3, and coupler 4) of the mode multiplexer / demultiplexer 305 in FIG. 11A illustrates coupler 1, FIG. 11B illustrates coupler 2, FIG. 11C illustrates coupler 3, and FIG. 11D illustrates coupler 4. By appropriately designing the width and height of the waveguide, the waveguide interval g, and the coupling length L, a coupling efficiency of 98% or more can be realized.

図10の構成では、coupler3(結合部31)における副導波路の幅w1が1.19μmと導波路の高さに対して小さく、製造上実現が困難な場合がある。そのような場合は、図12のモード合分波器306に示すように、結合部36(coupler1)を用いて副導波路21の基本モードを一旦LP11aモードへ変換する構成とするとよい。図13は、モード合分波器306の結合部31(coupler3)の設計例である。結合部36を用いて一旦LP11aに変換することで、副導波路の幅w1を6.2μmと大きくすることができる。   In the configuration of FIG. 10, the width w1 of the sub waveguide in the coupler 3 (coupling portion 31) is 1.19 μm, which is small with respect to the height of the waveguide, which may be difficult to realize in manufacturing. In such a case, as shown in the mode multiplexer / demultiplexer 306 in FIG. 12, the basic mode of the sub-waveguide 21 may be temporarily converted to the LP11a mode using the coupling unit 36 (coupler 1). FIG. 13 is a design example of the coupling unit 31 (coupler 3) of the mode multiplexer / demultiplexer 306. By once converting to LP11a using the coupling portion 36, the width w1 of the sub-waveguide can be increased to 6.2 μm.

[付記]
以下は、本実施形態のモード合分波器を説明したものである。
[Appendix]
The following describes the mode multiplexer / demultiplexer of this embodiment.

(1):
n(nは5以上の整数)以上のモードを伝搬可能な主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つm本(mは1以上の整数)の副導波路と、
を備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が前記主導波路のn−1個のモードの実効屈折率と排他的に一致しており、
少なくとも一つ以上の、導波路中心を含む導波路の水平方向または垂直方向に3つのピークを持ち、垂直または水平方向には1つのピークを持つフィールド分布を有するモードAと結合し、
導波路幅が連続的に変化するテーパー部においてモードAをLP21bまたはLP02に変換することを特徴とするモード合分波器。
(1):
a main waveguide capable of propagating n or more modes (n is an integer of 5 or more);
M sub-waveguides (m is an integer of 1 or more) having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and shifts optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
In the sub-waveguide, the effective refractive index of the propagating mode exclusively matches the effective refractive index of the n−1 modes of the main waveguide with respect to a desired wavelength range of light,
Coupled to at least one mode A having a field distribution with three peaks in the horizontal or vertical direction of the waveguide including the waveguide center and one peak in the vertical or horizontal direction;
A mode multiplexer / demultiplexer characterized in that mode A is converted to LP21b or LP02 in a tapered portion where the waveguide width continuously changes.

(2):
前記モード合分波器において、副導波路から結合するモードAが、
水平方向に3つのピークを持ち、垂直方向には1つのピークを持つフィールド分布を有するE31モードであって、
E31モードを、導波路の垂直方向に3つのピークを持ち、水平方向には1つのピークを持つフィールド分布を有するE13モードに変換する第一のテーパー部を有し、
第二のテーパー部において、伝搬するE13及びE31モードをLP21b及びLP02モードへ変換する
ことを特徴とする上記(1)に記載のモード合分波器。
(2):
In the mode multiplexer / demultiplexer, the mode A coupled from the sub waveguide is
E31 mode having a field distribution with three peaks in the horizontal direction and one peak in the vertical direction,
A first taper portion for converting the E31 mode into an E13 mode having a field distribution with three peaks in the vertical direction of the waveguide and one peak in the horizontal direction;
The mode multiplexer / demultiplexer according to (1), wherein in the second taper portion, the propagating E13 and E31 modes are converted into LP21b and LP02 modes.

(3):
前記結合部は、前記主導波路及び前記副導波路に非接触である少なくとも1本の中間導波路であることを特徴とする上記(1),(2)に記載のモード合分波器。
(3):
The mode multiplexer / demultiplexer according to (1) or (2) above, wherein the coupling portion is at least one intermediate waveguide that is not in contact with the main waveguide and the sub-waveguide.

(4):
前記モード合分波器において、導波路の高さが一定であり、LP11aモードをLP11bモード変換するモード回転子を含むことを特徴とする上記(1)〜(3)に記載のモード合分波器。
(4):
The mode multiplexer / demultiplexer according to any one of (1) to (3) above, wherein the mode multiplexer / demultiplexer includes a mode rotator for converting the LP11a mode to the LP11b mode with a constant waveguide height. vessel.

(5):
前記モード合分波器において、
LP01モードとLP11aモードを結合する結合部と、
LP11bモードとLP21aモードを結合する結合部と、
LP01またはLP11aモードとE31モードを結合する結合部と、
を備えており、
前記モード合波器の主導波路において、
LP21bまたはLP02モード、もしくは両モードを含むモードが多重された信号を合分波する上記(1)〜(4)に記載の5または6モード合分波器。
(5):
In the mode multiplexer / demultiplexer,
A coupling unit coupling the LP01 mode and the LP11a mode;
A coupling unit coupling the LP11b mode and the LP21a mode;
A coupling unit coupling the LP01 or LP11a mode and the E31 mode;
With
In the main waveguide of the mode multiplexer,
The 5- or 6-mode multiplexer / demultiplexer according to (1) to (4) above, which multiplexes / demultiplexes a signal in which the LP21b or LP02 mode or a mode including both modes is multiplexed.

本発明は情報通信産業に適用することができる。   The present invention can be applied to the information communication industry.

1:基板
10:主導波路(第一導波路)
21:副導波路(第二導波路)
22:副導波路(第三導波路)
31〜36:結合部
41〜44:テーパー部
51〜53:脇導波路
61:中間導波路
301〜306:モード合分波器
1: Substrate 10: Main waveguide (first waveguide)
21: Sub waveguide (second waveguide)
22: Sub-waveguide (third waveguide)
31 to 36: coupling portions 41 to 44: taper portions 51 to 53: side waveguide 61: intermediate waveguides 301 to 306: mode multiplexer / demultiplexer

Claims (8)

n(nは5以上の整数)以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化するテーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向と垂直方向の一方に3つのピークを持ち、他方に1つのピークを持つフィールド分布の中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるLP21bモードまたはLP02モードに相当するフィールド分布のモードと前記中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とするモード合分波器。
a main waveguide having a tapered portion capable of propagating a mode of n (n is an integer of 5 or more) or more and having a waveguide width continuously changing in the longitudinal direction;
A sub-waveguide having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and transfers optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
The sub-waveguide has an effective refractive index of a propagating mode for the desired wavelength range of light, and has three peaks in one of the horizontal direction and the vertical direction with respect to the substrate, which propagates through the main waveguide. , Consistent with the effective refractive index of the intermediate mode of the field distribution with one peak on the other,
A mode multiplexer / demultiplexer characterized in that the tapered portion adiabatically converts a field distribution mode corresponding to the LP21b mode or LP02 mode, which is a propagation mode in an optical fiber, and the intermediate mode.
n(nは6以上の整数)以上のモードを伝搬可能であり、長手方向に導波路幅が連続的に変化する第1テーパー部を持つ主導波路と、
前記主導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つ副導波路と、
を基板上に備えるモード合分波器であって、
前記副導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が、前記主導波路を伝搬する、前記基板に対して水平方向に3つのピーク且つ垂直方向に1つのピークを持つフィールド分布の第1中間モードの実効屈折率、又は前記基板に対して垂直方向に3つのピーク且つ水平方向に1つのピークを持つフィールド分布の第2中間モードの実効屈折率と一致しており、
前記第1テーパー部は、光ファイバ中の伝搬モードであるLP21bモードとLP02モードの一方に相当するフィールド分布のモードと前記第1中間モードとを断熱変換し、他方に相当するフィールド分布のモードと前記第2中間モードとを断熱変換する
ことを特徴とするモード合分波器。
a main waveguide having a first tapered portion capable of propagating a mode of n (n is an integer of 6 or more) or more and having a waveguide width continuously changing in the longitudinal direction;
A sub-waveguide having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and transfers optical power;
A mode multiplexer / demultiplexer comprising:
The sub-waveguide has an effective refractive index of a propagating mode for the desired wavelength range of light, and three peaks in the horizontal direction and one peak in the vertical direction propagating through the main waveguide. Or the effective refractive index of the second intermediate mode of the field distribution having three peaks in the vertical direction and one peak in the horizontal direction with respect to the substrate. And
The first taper section performs adiabatic conversion between a field distribution mode corresponding to one of LP21b mode and LP02 mode, which is a propagation mode in an optical fiber, and the first intermediate mode, and a field distribution mode corresponding to the other mode. A mode multiplexer / demultiplexer, wherein the second intermediate mode is subjected to adiabatic conversion.
前記主導波路は、
2つの前記副導波路の前記結合部の間に、長手方向に導波路幅が連続的に変化し、前記第1中間モードと前記第2中間モードとを相互に断熱変換する第2テーパー部をさらに持つことを特徴とする請求項2に記載のモード合分波器。
The main waveguide is
A second taper portion between the coupling portions of the two sub-waveguides, wherein the waveguide width continuously changes in the longitudinal direction, and the first intermediate mode and the second intermediate mode are adiabatically converted from each other; The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 2, further comprising:
前記主導波路及び前記副導波路に非接触であり、前記主導波路との間でモード変換を発生させ、光パワーを移行させる結合部を持つm本(mは3以上の整数)の脇導波路をさらに備え、
前記脇導波路は、所望の光の波長範囲に対して、伝搬するモードの実効屈折率が前記主導波路の低次側の3つの高次モードの実効屈折率と排他的に一致していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のモード合分波器。
M side waveguides (m is an integer of 3 or more) having a coupling portion that is non-contact with the main waveguide and the sub-waveguide, generates mode conversion with the main waveguide, and shifts optical power. Further comprising
In the side waveguide, the effective refractive index of the propagating mode exclusively coincides with the effective refractive indexes of the three higher-order modes on the lower-order side of the main waveguide with respect to a desired light wavelength range. The mode multiplexer / demultiplexer according to any one of claims 1 to 3.
少なくとも1つの前記結合部は、前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路に非接触である少なくとも1本の中間導波路であることを特徴とする請求項に記載のモード合分波器。 5. The mode multiplexing / demultiplexing according to claim 4 , wherein the at least one coupling portion is at least one intermediate waveguide that is not in contact with the main waveguide, the sub-waveguide, and the side waveguide. 6. vessel. 前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路は、導波路の高さが同じであり、
前記主導波路、前記副導波路及び前記脇導波路の少なくとも1つがLP11aモードをLP11bモードに変換するモード回転子を含むことを特徴とする請求項4又は5に記載のモード合分波器。
The main waveguide, the sub-waveguide, and the side waveguide have the same waveguide height,
6. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 4, wherein at least one of the main waveguide, the sub-waveguide, and the side waveguide includes a mode rotator that converts an LP11a mode into an LP11b mode.
前記中間モードがE31モードであり、
合波方向に、
LP01モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりLP11aモード、LP11bモード、及びLP21aモードを合波し、さらに、前記副導波路の結合部よりE31モードを合波し、前記テーパー部でE31モードをLP02モードに変換することを特徴とする請求項1を引用する請求項4から6のいずれかに記載のモード合分波器。
The intermediate mode is E31 mode,
In the direction of multiplexing,
LP11a mode, LP11b mode, and LP21a mode are combined from the coupling part of the side waveguide to the main waveguide through which the LP01 mode propagates, and further, E31 mode is multiplexed from the coupling part of the sub-waveguide, The mode multiplexer / demultiplexer according to any one of claims 4 to 6, wherein the E31 mode is converted to the LP02 mode at the taper portion.
前記第1中間モードがE31モードで、前記第2中間モードがE13モードであり、
合波方向に、
LP01モードが伝搬する前記主導波路に、前記脇導波路の結合部よりLP11aモード、LP11bモード、及びLP21aモードを合波し、さらに、1の前記副導波路の結合部よりE31モードを合波し、前記第2テーパー部でE31モードをE13モードに変換し、さらに、他の前記副導波路の結合部よりE31モードを合波し、前記第1テーパー部でE31モードをLP02モードに、E13モードをLP21bモードに変換することを特徴とする請求項2又は3を引用する請求項4から6のいずれかに記載のモード合分波器。
The first intermediate mode is an E31 mode, and the second intermediate mode is an E13 mode;
In the direction of multiplexing,
The LP11a mode, the LP11b mode, and the LP21a mode are combined from the coupling portion of the side waveguide to the main waveguide through which the LP01 mode propagates, and the E31 mode is multiplexed from the coupling portion of one of the sub waveguides. The E31 mode is converted to the E13 mode by the second taper part, and the E31 mode is multiplexed from the coupling part of the other sub-waveguide, and the E31 mode is changed to the LP02 mode by the first taper part. 7. The mode multiplexer / demultiplexer according to claim 4, wherein the mode multiplexer / demultiplexer is converted to the LP21b mode.
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